Synthesis of Garnet in the Ca-Ce-Gd-Zr-Fe-O System

Structural sites which cations can occupy in garnet structure are centers of the tetrahedron, octahedron, and distorted cube sharing edges with the tetrahedron and octahedron. Among them, the size of cation occuping at tetrahedral site (the center of tetrahedron) is closely related with the size of a unit cell of garnet. Accordingly, garnet containing iron with relative large ionic radii in tetrahedral site can be considered as a promising matrix for the immobilization of the elements with large ionic radii, such as actinides in radioactive wastes. We synthesized several garnets with the batch composition of $Ca_{1.5}GdCe_{0.5}ZrFeFe_3O_{12}$, and studied their properties and phase relations under various conditions. Mixed samples were fabricated in a pellet form under a pressure of $200{\~}400{\cal}kg/{\cal}cm^2$ and were sintered in the temperature range of $1100\~1400^{\circ}C$ in air and under oxygen atmospheres. Phase identification and chemical analysis of synthesized samples were conducted by XRD and SEM/EDS. In results, garnet was obtained as the main phase at $1300^{\circ}C$, an optimum condition in this system, even though some minor phases like perovskite and unknown phase were included. The compositions of garnet and perovskite synthesized from the batch composition of $Ca_{1.5}GdCe_{0.5}ZrFeFe_3O_{12}$ were ranged $[Ca_{l.2-1.8}Gd_{0.9-1.4}Ce_{0.3-0.5}]^{VIII}[Zr_{0.8-1.3}Fe_{0.7-1.2}]^{VI}[Fe_{2.9-3.1}]^{IV}O_{12}$ and $Ca_{0.1-0.5}Gd_{0.0-0.8}Ce_{0.1-0.5}\;Zr_{0.0-0.2}Fe_{0.9-1.1}O_3$, respectively. Ca content was exceeded and Ce content was depleted in the 8-coordinated site, comparing to the initial batch composition. This phenomena was closely related to the content of Zr and Fe in the 6-coordinated site.

Ca-Gd-Ce-Zr-Fe-O계에서의 석류석 합성 연구

석류석 구조에서, 양이온이 점할 수 있는 구조적 위치는 사면체, 팔면체 및 이들과 능을 공유하고 있는 배위다면체의 중심 등이다. 이들 중, 사면체의 자리를 차지하는 양이온의 크기는 석류석의 단위포의 크기와 밀접한 관계를 가진다. 따라서 4-배위 자리에 비교적 이온반경이 큰 철을 함유하고 있는 석류석은 방사성 폐기물 내에 함유된 비교적 이온반경이 큰 악티나이드 원소를 고정시키기 위한 유망한 매트릭스로써 고려될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 $Ca_{1.5}GdCe_{0.5}ZrFeFe_3O_{12}$인 조성을 가진 석류석을 합성하여 이들의 상평형 관계 및 특성을 연구하였다. 혼합된 시료는 $200{\~}400{\cal}kg/{\cal}cm^2$의 압력으로 성형한 후, $1100{\~}1400^{\circ}C$ 범위에서 온도 및 분위기를 변화시키면서 소결하였으며, 합성된 시료는 XRD 및 SEM/EDS를 사용하여 상분석과 정량분석을 실시하였다. 실험결과, 석류석은 소결온도 $1300^{\circ}C$에서 최적의 합성상을 얻을 수 있었지만, 미량의 페로브스카이트 및 미지의 상이 공존하였다. 석류석과 페로브스카이트의 화학조성은 각각 $[Ca_{l.2-1.8}Gd_{0.9-1.4}Ce_{0.3-0.5}]^{VIII}[Zr_{0.8-1.3}Fe_{0.7-1.2}]^{VI}[Fe_{2.9-3.1}]^{IV}O_{12}$ 및 $Ca_{0.1-0.5}Gd_{0.0-0.8}Ce_{0.1-0.5}\;Zr_{0.0-0.2}Fe_{0.9-1.1}O_3$ 이었다. 특히 화학양론적 조성과 비교 시, 합성된 석류석의 8-배위 자리를 점하고 있는 Ca의 초과 및 Ce의 결핍된 양상을 보였다. 이는 6-배위 자리에서의 Zr 및 Fe의 화학조성과 밀접한 관계를 지닌다.